Подвод и отвод тепла в колонны ректификации

 

Важным элементом технологии ректификации нефти и нефтяных фракций является подвод и отвод тепла в колонне, поскольку ректификация – это термодинамический процесс с непрерывным подводом и отводом тепла, что позволяет формировать температурный профиль по высоте колонны и, соответственно, движущую силу процесса ректификации. Чем больший тепловой поток подводится (и отводится) в колонне, тем больше будет в колонне кратность орошения (отношение количества орошения к количеству отводимого верхнего продукта), тем выше четкость ректификации. Однако при этом также будут возрастать энергетические затраты на процесс ректификации (расход тепла на испарение и воды или воздуха на конденсацию паров).

Подвод тепла в колонну ректификации осуществляется потоком сырья, а также снизу отгонной части. Возможности подвода тепла с сырьевым потоком обычно ограничены из-за термического разложения сырья (предельные температуры нагрева – 350–360 °С в атмосферной части, и
400–420 °С в вакуумной части при перегонке мазута). В случае, когда в колонне отгоняются легкие дистилляты и некоторый перегрев низа колонны не вызывает протекания реакций крекинга, в низ колонны вводится дополнительный тепловой поток. Это осуществляестя либо с помощью выносного кипятильника (ребойлера) (рис. 6.3, в, г), либо «горячей струи» (циркуляция остатка колонны через печь и подача нагретого до 300–350 °С парожидкостного потока в отгонную часть) (рис. 6.3, б).

Подводимое тем или иным способом вниз колонны тепло испаряет часть жидкой фазы и создает необходимый подпор паров в отгонной части.

Отвод тепла осуществляется только в укрепляющей (верхней) части колонны и служит для создания жидкого потока внутреннего орошения тарелок. В простых колоннах (не имеющих отбора боковых дистиллятов) тепло всегда отводится сверху колонны (острое, холодное испаряющееся орошение). В сложных колоннах тепло может отводиться в нескольких сечениях по высоте колонны (неиспаряющееся или циркуляционное орошение). Как правило, в сложных колоннах используют комбинированное орошение – верхнее испаряющееся и циркуляционное орошения.

Холодное испаряющееся орошение осуществляется по следующей схеме: пары, выходящие сверху колонны конденсируются в конденсаторе-холодильнике и собираются в емкости орошения, откуда часть возвращается на верхнюю тарелку колонны в виде холодного испаряющегося орошения, а балансовое количество отводится в виде готового продукта (рис. 6.4, а).

Необходимое количество возвращаемого в колонну холодного испаряющегося орошения (кг/ч) определяется по формуле:

                                          ,                                   (6.4)

где Q _х.исп – количество тепла, которое нужно снять из колонны при помощи холодного испаряющегося орошения, Вт;

q ^п _{t , D} и q ^ж _{t ,хк} – энтальпии паров и жидкой фазы при температуре верха колонны (t_D) и температуре на выходе из холодильника-конденсатора (t _хк) (обычно 30–40 °С) соответственно, Дж/кг.

Холодное неиспаряющееся или циркуляционное орошение происходит по следующей схеме: часть жидкой фазы с любой тарелки по высоте колонны прокачивается через теплообменник, холодильник и охлажденный поток возвращается на ту же или вышележащую тарелку. В результате создается дополнительный поток флегмы для осуществления процесса ректификации (рис. 6.4, б).

Необходимое количество циркуляционного орошения (кг/ч) определяется по формуле:

                                             ,                                      (6.5)

 

Рис. 6.4. Схемы отвода тепла из ректификационных колонн:

1 – колонна; 2 – отпарная колонна; 3 – сепаратор-отстойник; 4 – воздушный холодильник-конденсатор; 5 – водяной холодильник-конденсатор; 6 – теплообменник; 7 – насос.

I – бензин; II – холодное испаряющееся орошение; III – циркуляционное орошение;
IV – углеводородный газ; V – боковой дистиллят (керосин); VI – водяной пар; VII – вода.

 

 

где Q _цо – количество теплоты, которое необходимо снять циркуляционным орошением, Вт;

q ^ж _{t 1}, q ^ж _{t 0} – энтальпии жидкой фазы при температуре выхода из колонны (t ₁) и температуре ввода в колонну (t ₀) соответственно, Дж/кг.

Циркуляционное орошение применяется в случае переработки агрессивного сырья, особенно в присутствии водяного пара. В данном случае меньшей коррозии подвергаются холодильники и большей – холодильники- конденсаторы.

Применение циркуляционного орошения позволяет разгрузить вышележащие секции по жидкой фазе, усилить предварительный подогрев сырья и снизить тепловую нагрузку печей.

Обычно в сложной колонне организуется не более двух циркуляционных орошений – по числу отбираемых боковых погонов.